钢筋混凝土框架结构抗震加固技术

2015-10-21 17:15管梅梅沙蓓
建筑工程技术与设计 2015年28期
关键词:加固鉴定抗震

管梅梅 沙蓓

[摘要]本文简介了抗震加固的必要性、依据,地震作用的特点以及抗震加固的原则,在此基础上阐述了针对现在大量存在的钢筋混凝土框架结构的抗震加固技术。

[关键词] 抗震 鉴定 加固

1.抗震加固的必要性

我国是一个多震的国家,地震给我国人民生命财产安全和国家经济发展、社会稳定带来了严重的灾害。在我国由于历史、经济发展以及技术局限等原因,存在着大量未进行抗震设计的建筑物,给建筑结构的安全性造成了极大的危害。对于未考虑抗震设防的已有房屋应进行抗震鉴定,并采取有效的抗震加固措施。

2.抗震加固依据

我国目前进行加注抗震鉴定加固的主要技术法规有:《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《建筑抗震鉴定标准》(GB50023-2009)、《建筑抗震加固技术规范》(JGJ116-2009)等。符合《建筑抗震鉴定标准》要求的建筑,或通过抗震鉴定需加固并按《建筑抗震加固技术规程》进行加固的建筑,在遭遇到相当于抗震设防烈度的地震影响时,一般不致倒塌伤人或者砸坏重要生产设备,经维修后仍可继续使用。《建筑抗震鉴定标准》和《建筑抗震加固技术规程》适用于抗震烈度为6~9度地区的现有建筑物的抗震鉴定和抗震能力不符合抗震设防要求而需要加固的建筑。

3.地震作用特点及抗震加固特点

建筑结构抗震加固同建筑物在一般损坏情况下的加固有许多不同特点,这些特点往往决定着加固的类型和效果。为了使建筑物在加固后具有良好的抗震性能,抗震加固措施的实施必须依据地震作用特点以及结构在地震作用下的响应。

地震作用的本质是惯性力,作为地震作用的惯性力是由结构变位引起的,而结构变位又受到这些惯性力的影响。地震作用与一般荷载不同,它不仅取决于地震烈度大小和建筑场地类别,而且与建筑结构的动力特性,如结构自振周期、阻尼等,有着密切关系。结构各部分刚度的比值、结构自重等因素都会对结构的抗震性能有着深刻的影响。在确定加固方案时,要重点考虑结构总体抗震能力和变形能力的综合协调。抗震加固的内涵是结构加固而非构件加固,因此在确定结构抗震加固方案时首先应考虑整体性加固法案,防止出现对某些部位加固后出现新的薄弱环节,即避免“头痛医头、脚痛医脚”的构件加固。

4.建筑抗震设防分类

现有建筑物应根据其重要性和使用要求,按现行国家标准《建筑抗震设防分类标准》划分为甲、乙、丙、丁四类。

甲类建筑:地震破坏后对社会有严重影响,对国民经济有巨大损失或有特殊要求的建筑,或按国家规定特殊批准的建筑物。

乙类建筑:地震时使用功能不能中断或需尽快恢复,且地震破坏会造成社会重大影响和国民经济重大损失的建筑。

丙类建筑:地震破坏后有一般影响及其他不属于甲乙丙丁类的建筑。

丁类建筑:其地震破坏或倒塌不会影响到甲乙丙类建筑,且造成的社会影响与经济损失轻微的建筑。

5.抗震加固原则

各类现有建筑的抗震验算、构造鉴定和加固措施还应符合以下原则:

1) 设防烈度的确定应综合考虑

2) 抗震鉴定加固工作应区分轻重缓急

3) 以上部结构及地基基础检测为基础,制定抗震加固方案

4) 提高房屋整体抗震能力

5) 加固措施要可靠、可行

6) 抗震设计中应力求降低扭转作用

7) 充分考虑建筑物抗震的有利与不利因素

8) 尽量采用新技术

9) 施工确保设计要求、安全施工

6.待加固的钢筋混凝土框架结构房屋存在的问题

钢筋混凝土框架结构具有结构布置灵活等优点,在我国大量建筑选用钢筋混凝土框架结构形式。建造时间较长的钢筋混凝土框架结构,受当时经济水平和建筑技术的制约,存在着不少缺陷,归结起来主要有以下几方面的问题:

1) 材料强度低:限于施工水平,当时的混凝土强度等级普遍较低

2) 钢筋构造不合理:体现在梁柱配筋率偏低,框架梁端的钢筋不足或锚固长度不够,地震作用下梁端易开裂或使梁延性不足;梁柱加密区段配筋稀疏,在梁柱节点核心区甚至无箍筋。

3) 抗震缝宽度不够:一些大型公共建筑由几个建筑分区组成,分区间一般设变形缝,但缝宽小雨抗震缝宽度最低要求,地震作用下易发生相互碰撞。

4) 构件承载力低:限于当时经济水平,要求设计人员在设计时遵循经济、安全的原则,更多的是考虑经济方面的因素,相应的构件截面偏小、轴压比高,构件承载力的安全余量不大,如考虑地震作用承载力甚至不足。

5) 非结构构件的连接构造弱:如女儿墙超高且五可靠拉结措施,围护墙与主体结构的连接薄弱,地震时易开裂。

7.钢筋混凝土框架结构房屋加固方法

结构抗震加固方法随着经济水平、技术水平和人们观念的发展而发展,以往的抗震加固是以结构的安全性为重点,而对建筑的外观和使用功能很少顾及。如今,随着我国经济实力的增强,抗震加固新技术(如消能减震)、新材料(如碳纤维、结构胶)以及新工艺(如钻孔、植筋)的出现,从而使抗震加固的手段越来越多,给工程师以充分发挥的余地。

目前,在抗震加固中采用的具体方法有:

1) 增设钢筋混凝土抗震墙法

当房屋刚度较小、明显不均匀或有明显的扭转效应时,可增设钢筋混凝土抗震墙或翼墙加固。该法实际上是通过在结构的适当部位增设一定数量的剪力墙,将原框架结构改变为框架一剪力墻结构,是提高框架结构抗震能力及减小扭转效应的有效方法。该方法通过提高结构的侧向刚度,减小了结构在地震作用下的侧移。通过加固改变结构体系,并通过内力的重分布减小了某些构件如梁柱的受力。由于剪力墙承担了大部分的地震荷载,减小了原框架梁柱的受力,可以避免大量梁柱的加固工程。采用该方法需考虑的问题有:增设钢筋混凝土抗震墙要针对原有结构的缺陷进行全面的经济技术分析;新增抗震墙的布置要均匀、分散、对称;增设抗震墙应宜设置在框架的轴线位置上,尽量不影响原建筑的使用功能;新增抗震墙与原有结构的连接应牢固,使其共同作用。增设抗震墙法是目前使用得较为普遍的一种抗震加固方法。

2) 钢构套加固法

钢构套加固法是在构件外包以型钢的加固方法。主要通过约束原有构件以提高构件的耐变形能力,有时也可提高受剪和受弯承载力。该方法适用于梁柱构件。该方法要注意钢构套结构的连接牢固,使其共同作用。该方法对截面尺寸、外观影响很小,因此经常在结构加固改造中使用。

3) 钢筋混凝土套加固法

钢筋混凝土套加固法又称加大截面法,抗震承载能力提高很大,施工方便,现场工作量小,受力较为可靠,是对钢筋混凝土梁、柱构件外包一定厚度的混凝土材料,加大构件截面并配以适量的钢筋,和原构件一起共同承担相应的地震荷载,从而提高构件的承载能力。该方法工艺简单、适用面广,是一种传统的加固方法。

4) 贴钢板加固法

贴钢板加固法是在钢筋混凝土构件的表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板,弥补原有构件钢筋的不足。该方法用钢板替代钢筋或箍筋,可提高承载力、耐变形能力而几乎不增加刚度。该方法有很多优点:粘结剂硬化速度快,工期短;工艺简单,施工方便;粘结剂的粘结强度高,可以使钢板和原构件形成很好的整体,受力均匀,不会在混凝土中产生应力集中现象;钢板占用的空间小,几乎不增加加固构件的截面尺寸和重量;可以大幅度提高构件的抗裂性,抑制裂缝的开展,提高承载力。

5) 减轻自重法

减轻自重法又称卸荷法。该方法是通过减小结构自重来减小结构的地震反应。在实际钢筋混凝土结构中一般是将原结构中较重的粘土砖填充墙拆除以轻质隔墙代替,降低了结构的自重,从而减小了地震荷载和变形。这种方法最大的优点在于基本上可不进行加固就能保证地震作用下结构的安全,也避免了加固对原结构构件的损伤。该方法能保证原有结构的使用功能和美观。

6) 修补 、灌浆、喷射

这些方法是针对混凝土构件局部损伤和裂缝等缺陷进行的。当钢筋混凝土构件有局部损伤时,可采用细石混凝土修复,出现裂缝时,可灌注环氧树脂浆等补强。该方法可使耐久性不足、局部损伤或出现裂缝的构件,恢复原有的承载力和变形能力。

7) 碳纤维加固法

碳纤维加固是一种新型的结构加固技术。碳纤维材料的抗拉强度高于普通钢筋的10倍、弹性模量是钢筋的数倍,因此可利用高性能结构胶将碳纤维织物(布)粘贴于构件表面,从而达到对结构构件的加固补强及改善抗震性能的目的。采用碳纤维加固具有以下优点:由于碳纤维对混凝土的约束作用,构件受力性能明显得到改善;碳纤维布质轻且薄,加固后对原结构构件截面、荷载增加均不大,不影响原有建筑使用功能,因此极适合于钢筋混凝土结构的加固。但采用这种加固方法对粘结胶的性能要求较高,相应造价也高。

8) 消能减震法

该方法是消能减震技术在抗震加固领域中的应用,通过在结构中放置一定数量的消能设备,当结构遭遇设防烈度地震作用时,通过增加体系的阻尼系数以减小结构地震反应。当结构遭遇强震作用时,消能装置率先进人弹塑性状态耗散掉大量的地震能量,从而使主体结构免遭破坏。

9) 隔震加固法

该方法是隔震技术在抗震加固领域中的应用。通过隔震层的设置将地震变形集中到隔震层上,从而起到减小原结构地震反应的目的。目前已研究出的隔震方法有:橡胶垫隔震;滑移隔震;滚珠或滚轴隔震、摆动隔震、悬吊隔震、弹簧隔震等。目前较多的做法是将隔震层放在原结构基础上,即基础隔震。

8.结语

本文讨论了钢筋混凝土结构抗震加固的原则,对目前常用的钢筋混凝土结构的加固方法进行了简要的论述,给出了各种方法的特点和适用范围和一些需要注意的问题。总的来看,抗震加固有几种思路:一是减小结构的自重,使结构在地震中的地震力减小,从而减小构件受力,增加结构的安全性,如减轻自重法;一是增加结构的截面或构件,用附加材料或构件分担地震作用,从而增加结构的安全性,如钢构套加固法、钢筋混凝土套加固法、贴钢板加固法、碳纤维加固法、增设钢筋混凝土抗震墙;还有是改变結构的体系,改变结构的受力性质,从而增加结构的安全性,如消能减震法、隔震加固法、增设支点法;最后是恢复构件的原有性能,如修补、灌浆、喷射等。

随着经济水平、技术水平的提高和人们观念的进步,对加固方法的也有了不同的要求。单一满足安全性的加固方法已无法满足现在的需求,需要开发既满足安全要求、使用要求,又要满足美观要求的先进的加固方法。特别是随着智能材料的发展,用智能材料加固结构必将是今后的发展趋势。

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